KR19980071318A - 공기 분리 시스템 및 방법 - Google Patents

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폴린 제인 쿡
크리스티안 프리드리히 고츠만
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조안 엠. 젤사
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Abstract

본 발명은 압력 및 순도를 변화시키면서 다수의 산소 생성물 스트림을 제조하는 공기 분리 시스템 및 방법에 관한 것이다. 이러한 시스템은 다중 스테이지 캐스케이드 막 유닛과 VPSA 산소 발생기를 조합하여 고압의 저순도 생성물 스트림, 및 저압의 고순도 생성물 스트림을 제공한다.

Description

공기 분리 시스템 및 방법
본 발명은 선택된 순도 및 압력의 산소를 경제적으로 제조하는 개선된 공기 분리 시스템 및 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 진공압 순환 흡착(VPSA) 시스템과 막 분리용으로 둘 이상의 스테이지를 갖는 막 기체 투과성 시스템을 조합하는 공기 분리 시스템 및 방법에 관한 것이다.
다수의 산업 및 의료용으로 적합한 산소는 전형적으로 약 97 내지 99.999%의 순도를 가지며, 다양한 압력 및 순도로 제조된다. 공기는 전형적으로 약 21% 산소 기체를 함유하기 때문에, 공기를 경제적인 산소 공급원으로 사용하는 것이 매우 바람직하다. 결과적으로, 많은 가장 실용적이며 경제적인 산소 생성 플랜트는 공기 분리 시스템 및 방법을 사용하고 있다.
상대적으로 대량의 산소를 제조하는 보다 통상적인 시스템중의 하나는 공기 혼합물로부터 원하는 산소 성분을 액화하여 분리하는 저온 기술을 채택하고 있다. 이러한 설계가 대량의 산소를 제조하는데 성공적이지만, 적은 용적에서 어느 정도의 용적까지 제조하는데 사용되는 경우 특수 저온 하드웨어 및 이와 관련된 비용으로 인해 시스템 자체가 비용이 많이 든다.
어느 정도의 용적이면서 상대적으로 저순도의 산소를 제조하기 위해서, 실제 공기 분리 시스템은 산소에 선택적이며, 높은 투과성을 지닌 중합체 막을 사용한다. 압축된 공기는 질소 성분은 보유하며 상대적으로 적당한 순도의 산소는 통과시키는 막에 공급된다. 통상의 막이 지니는 적당한 선택성 때문에, 추가의 공급 기체 콤프레서를 포함하는 다수의 막 스테이지를 통하는 경우에만 고순도 산소를 생성시킬 수 있다. 이러한 사실은 종종 상당한 생산 비용이 들기 때문에 비용의 관점에서 다중 스테이지 막 시스템에 실질적인 개선의 여지가 있다.
다중 스테이지 막 기술에 대한 또 다른 방법으로서, 당업자는 분자체 흡착제를 사용하여 약 88% 내지 95% 범위의 순도로 산소를 효율적으로 제조하는 공기 분리 시스템을 개발하였다. 상기 흡착제가 압력 순환 흡착제(PSA) 시스템 (및 진공압 순환 흡착(VPSA) 시스템)에서 사용되는 경우, 공기중의 각각의 기체 시스템 사이의 4중 모멘트에 따라 전형적으로 작용하여 성분 분리를 수행한다. 불운하게도, 흡착제는 전형적으로 아르곤으로부터 산소를 분리해낼 수 없다. 이러한 한계로 인해 98%에 근사하는 고순도 PSA 산소 제조가 종종 방해된다.
고순도의 PSA 산소 생산의 문제점을 해결하기 위한 하나의 연구에서는 연속 막 칼럼(CMC)과 조합된 PSA 시스템, 또는 연속 막 칼럼과 두 스테이지 스트리퍼(CMC-TSS)를 사용하여 산소를 99% 순도로 시키고 있음을 개시하고 있다. PSA로부터의 생성물은 콤프레서 유도된 재순환 루프 및 4-포트 막 모듈을 이용하는 막 시스템에 공급기체로 제공된다. 이의 의도된 목적에 이롭기는 하지만, 이러한 제안은 CMC로 적합하게 재순환시키는 추가의 압축 장치를 필요로 한다. 더욱이, 사용된 특수 막 때문에, 상대적으로 고비용의 4-포트 막 모듈은 비용이 저비용의 3-포트 설계보다도 일반적으로 사용되어야 한다.
이와 같이, 당업자는 최소 압력 하드웨어를 사용하면서 투과성 막 및 압력 순환 흡착 기술 둘 모두를 사용하여 고순도 산소를 대량으로 제조하는 공기 분리 플랜트가 요구되고 있음을 인지하고 있지만, 본 발명 이전에는 어떠한 만족할 만한 시스템도 발명되지 않았다. 또한, 고압의 저순도 산소의 주요 스트림, 및 저압의 고순도 산소의 부분 스트림 둘 모두를 제조할 수 있는 공기 분리 시스템이 필요하다. 본 발명의 시스템 및 방법은 이들 요건을 모두 만족시킨다.
도 1은 공기 분리 시스템의 제 1 구체예의 개략적인 플로우 다이아그램이며, 본 발명의 방법의 제 1 구체예를 도시하는 도면이다.
도 2는 공기 분리 시스템의 제 2 구체예의 개략적인 플로우 다이아그램이며, 본 발명의 방법의 제 2 구체예를 도시하는 도면이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
12: 산소 발생기 14: 진공압 순환 흡착 플랜트
16: VPSA 콤프레서 18: 공급 기체 다기관
19: 유입구 30: 하위 시스템
36: 제 2 유출구 44: 제 2 스테이지
46: 유출구 52: 재순환 라인
54: 재순환 조절 밸브 72: PSA 또는 VPSA 산소 발생기
74: PSA 또는 VPSA 유닛 76: VPSA 생성물 기체 콤프레서
82: 제 1 스테이지 100: 제 2 스테이지
106: 제 2 스테이지 보유 스트림 공급 포트
본 발명의 공기 분리 시스템은 비용면에서 효과적인 방식으로 상대적으로 저순도 및 고순도로 다수의 고압 및 저압 산소 스트림을 제조한다. 본 발명에서는 고비용의 불필요한 재순환 압축 장치를 본질적으로 제거하기 때문에 일차적으로 비용 절감 효과가 나타난다.
이상에서와 같은 장점을 구현하기 위해, 본 발명의 공기 분리 시스템의 제 1 구체예는 공급 기체 혼합물을 수거 및 유도하는 공급 기체 다기관에 연결된 콤프레서 출력을 갖는 PSA 또는 VPSA 산소 발생기를 포함한다. 공기 발생기의 다운스트림은 각각 소정의 압력비로 및 각각 소정의 작동 온도 이내에서 실시 가능한 각각 제 1 및 제 2 스테이지를 포함하는 막 캐스케이드 시스템이다. 제 1 스테이지는 공급 기체가 유통하도록 배치된 유입구, 상대적으로 고압의 저순도 생성물 라인에 연결된 보유 스트림, 및 투과 생성물 스트림을 갖는다. 제 2 스테이지는 제 1 스테이지 투과 생성물 스트림이 유통하도록 배치된 유입구, (재순환될 수 있는) 보유 스트림, 및 소정의 방출 압력 및 방출 순도에서 실시 가능한 상대적으로 저압의 고순도 생성물 라인에 연결된 제 2 스테이지 투과 생성물 스트림을 포함한다.
본 발명의 공기 분리 시스템의 제 2 구체예는 스테이지간 콤프레서를 갖추고 있으며, 공급 기체 혼합물의 수거 및 유도용의 공급 기체 다기관에 연결된 콤프레서 출력을 갖는 PSA 또는 VPSA 산소 발생기를 포함한다. 공기 발생기의 다운스트림은 각각 제 1 및 제 2 스테이지를 포함하는 막 캐스케이드 시스템이다. 제 1 스테이지는 공급 기체가 유통하도록 배치된 유입구, 상대적으로 고압의 적당한 순도 생성물 라인에 연결된 보유 스트림, 및 스테이지간 콤프레서로 유입되는 투과 생성물 스트림을 포함한다. 제 2 스테이지는 스테이지간 콤프레서 출력과 통하도록 배치된 유입구, 제 2 스테이지 보유 스트림, 및 상대적으로 저압의 고순도 생성물 라인에 연결된 제 2 스테이지 투과 생성물 스트림을 포함한다.
본 발명의 방법의 제 1 구체예는 공기 분리 플랜트로부터 각각의 압력 및 순도로 다수의 산소 스트림을 제조한다. 이러한 플랜트는 압축된 출력을 갖는 PSA 또는 VPSA 산소 발생기, 및 각각 유입구를 갖는 각각 제 1 및 제 2 스테이지를 갖는 캐스케이드 막 유닛을 포함한다. 막 유닛의 제 1 및 제 2 스테이지는 각각 보유 및 투과 유체 스트림을 포함한다. 이러한 방법은 제 1 공급 기체로서 제 1 스테이지 유입구로 PSA 또는 VPSA 출력을 공급하는 단계; 제 1 막 스테이지 보유 스트림을 고압의 저순도 산소 생성물 스트림으로 이용하는 단계; 제 2 공급 기체로서 제 2 스테이지 유입구로 제 1 스테이지 투과물을 유도하는 단계; 및 제 2 스테이지 투과 스트림을 고순도의 저압 산소 생성물 스트림으로 이용하는 단계를 포함하며, 반면에 제 2 스테이지 보유는 적당한 순도 및 적당한 고압의 생성물 스트림으로 사용되거나 재순환될 수 있다.
본 발명의 방법의 제 2 구체예는 스테이지간 압축을 이용하고, 공기 분리 플랜트로부터 각각의 압력 및 순도로 다수의 산소 스트림을 제조한다. 상기 플랜트는 압축된 출력을 갖는 PSA 또는 VPSA 산소 발생기, 및 스테이지간 콤프레서에 의해 결합된 각각의 제 1 및 제 2 스테이지를 포함하는 캐스케이드 막 유닛을 포함한다. 스테이지는 각각 유입구를 가지며, 제 1 및 제 2 스테이지는 각각 보유 및 투과 유체 스트림을 포함한다. 상기 방법은 PSA 또는 VPSA 출력을 제 1 공급 기체로서 제 1 스테이지 유입구로 공급하는 단계; 제 1 스테이지 보유 스트림을 고압의 저순도 산소 생성물 스트림으로 이용하는 단계; 제 1 스테이지 투과물을 스테이지간 콤프레서로 유도하는 단계; 제 1 스테이지 투과 스트림을 제 2 공급 기체로서 제 2 스테이지 유입구로 분포하기 위한 콤프레서로 가압시키는 단계; 및 제 2 스테이지 투과 스트림을 고순도의 저압 산소 생성물 스트림으로 이용하는 단계를 포함하며, 반면에 제 2 스테이지 보유 스트림은 저압 내지 적당한 고압으로 적당한 순도의 생성물로서 사용되거나 재순환될 수 있다.
또 다른 막 스테이지를 포함할 수 있다.
본 발명의 상기 및 그 밖의 특징은 수반 도면과 함께 하기의 상세한 설명으로부터 보다 충분하게 이해될 것이며, 도면에서 유사한 참조 번호는 유사한 원소를 언급한다.
본 발명의 공기 분리 시스템은 상이한 압력 및 순도로 다수의 산소 스트림을 제조한다. (감소된 수의 기체 콤프레서를 포함하는) 간단한 설계를 채택하고, 공기 분리 기술을 조합 사용함으로써, 본 발명의 시스템은 실질적인 비용 절감을 구현한다.
도 1을 참조하자면, 본 발명의 공기 분리 시스템(10)의 제 1 구체예는 흡착제(PSA 또는 VPSA)를 채택하는 형태의 산소 발생기(12), 및 스테이지화된 막 하위 시스템(30)을 포함한다. 통상의 PSA 및 VPSA 플랜트 및 막 시스템 단독으로는 95% 이상의 순도로 산소를 대규모로 제조할 수 없기 때문에, 본 발명은 다양한 압력 및 순도로 기체를 다수의 산소 스트림으로 분리하는 막 하위 시스템으로의 공급 기체로서 모든 또는 일부의 산소 발생 생성물 출력을 사용한다.
산소 발생기(12)는 전형적으로 약 92% 산소, 5% 아르곤, 및 3% 질소를 함유하는 약 100,000 ncfh 생성물을 제조할 수 있는 진공압 순환 흡착 플랜트(14)를 포함한다. VPSA는 전형적으로 분자체 5A (MS-5A)와 같은 분자체 흡착제를 사용하여 원하는 산소 순도를 효율적으로 제조한다. 산소 생성물 출력을 가압시키기 위해, 콤프레서(16)는 VPSA 유닛의 다운스트림으로 연결되어 공급 기체 방출 다기관 라인(18)을 걸쳐서 전형적으로 100-200 PSIA에 근사하는 공급 기체 압력을 생성시킨다. 고압의 저순도 산소(즉, VPSA 시스템으로부터 방출되는 순도)의 용이한 스트림은 방출 다기관 라인(18)에 연결되어 저순도 생성물 조절 밸브(22)에 의해 조절되는 생성물 다기관 라인(20)을 통해 이용된다.
방출 다기관을 통해 유도된 대부분 또는 모든 생성물은 스테이지화된 막 하위-시스템(30)에 공급된다. 바람직하게는, 추가의 스테이지(도시되지 않음)가 사용되어, 원한다면, 생성물 순도를 더 증가시킬 수 있음에도 불구하고, 하드웨어 및 작동 비용을 최소화하기 위해, 막 하위-시스템은 두 스테이지 캐스케이드 형태를 포함한다.
도 1을 더 참조하자면, 막 캐스케이드 하위-시스템(30)은 공급 기체 방출 다기관(18)에 연결된 유입구(34)를 갖는 제 1 스테이지(32)를 포함한다. 상기 스테이지는 산소 부화 투과물과 산소 결핍 보유물 제조한다. 상기 스테이지는 막 스테이지로부터 산소 부화 및 산소 결핍 생성물을 방출시키는 제 1 및 제 2 유출구(38 및 36)를 포함한다. 고압의 저순도 생성물 다기관 라인(20)으로 흐름을 조절하기 위한 흐름 조절 밸브(42)에 의해 조절된 고압 라인(40)은 저순도 보유 생성물 유출구(36)에 연결된다. 제 2 투과 유출구(38)는 유입구(46)에 연결되어 제 2 스테이지(44)에 공급된다.
막 캐스케이드 하위-시스템(30)의 제 2 스테이지(44)는 제 1 스테이지로부터 투과 생성물을 받아들이며, 재순환(보유) 출력(48) 및 고순도 생성물(투과물) 유출구(50)를 포함한다. 재순환 조절 밸브(54)에 의해 조절된 재순환 라인(52)은 유입구(19)와 재순환 출력을 연결하여 VPSA 콤프레서(16)에 연결된다. 고순도 생성물 유출구(50)는 고순도의 저압 전달 라인(56)을 통해 소모기, 전형적으로 소모 콤프레서(58)에 연결되어 약 98% 이상의 순도로 저압 산소를 전달한다.
또한, 제 2 스테이지 재순환 스트림(48)은 VPSA로 재순환되기 보다는 적당한 압력 및 적당한 순도 생성물 라인(60)에 연결될 수 있다. 당업자는 압축 이외의 원료 물질(공기)과 관련하여 비용이 들지 않기 때문에, 이러한 형태가 소모된 전체 동력을 감소시킨다는 것을 인지할 것이다.
하기에 기재된 표 1 및 표 2는 사용된 작동 조건을 기재하고 있으며, 각각의 결과는 앞서의 구체예의 특정 예로부터 달성된다.
하기의 예에도 불구하고, 사용된 막은 21℃(70℉)에서 하기의 특성을 갖는 상대적으로 저비용의 3-포트 설계를 포함하였다: 산소 투과도/두께(P/tO2)=1.5ncfh/ft2-psi-하루, 선택도 (O2/N2) = 5.27, 및 선택도(O2/Ar)=2.55. 더욱이, 각 스테이지에서의 공급물/투과물 압력비는 2.66이었다.
실시예 1
본 실시예는 175psia에서 92% O2, 5% Ar 및 3% N2를 함유하는 100,000ncfh 생성물을 제조하는 VPSA 플랜트에 관한 것이다. 이러한 스트림의 일부는 막 캐스케이드 시스템(2 스테이지)으로의 공급물로서 사용되어 98% O2를 함유하는 5,000ncfh 생성물을 제조하며 24.7psia에서 전달된다. 사용된 막 영역은 약 5773ft2이었다.
위치 흐름(ncfh) 압력(psia) 순도(%O2)
VPSA 콤프레서 유출구 115,291 175 92
스테이지 1 유입구 98,331 175 92
스테이지 1 투과물 20,291 65.7 95.4
재순환 15,291 65.7 95.4
저순도 생성물★ 95,000 175 91.7
스테이지 2 투과 생성물 5,000 24.7 98
★ 스테이지 1 보유 플러스 VPSA 후의 콤프레서 출력
상기 표에 기재된 데이터는 막 캐스케이드 하위 시스템(30)으로의 공급물의 순도에 관한 재순환 스트림의 효과를 무시하고 있지만, 당업자는 이러한 효과가 공급물 순도를 약간 변화시켜 막 영역 및 유출속도 요건을 다소 감소시킬 것이라는 것을 인지할 것이다.
본 발명자들은 동일한 전체 압력비를 사용하면서 각각의 스테이지에서의 압력비를 최적화하는 것이 가능하며, 바람직하다는 것을 발견하였다. 이와 같이 수행하게 되면 막 영역 및 재순환 유출속도가 유리하게 영향을 받을 수 있다. 게다가, 작동 온도 및 작동의 스테이지 감가(즉, 동일한 스테이지에 대하여 막 보유 흐름 대 막 공급 흐름의 비)는 주위 조건을 적합시키는데 최적화될 수 있다. 종국적으로, 상이한 특성을 지닌 막이 각 스테이지에 대하여 사용될 수 있다. 특정 경우(예를 들어, 스테이지 2의 고순도 생성물이 고압에서 전달되는데 필요한 경우)에, 막 영역 요건 및 시스템에 필요한 압력 동력을 감소시키는데 스테이지간 콤프레서를 사용하는 것이 유리할 것이다. 이것은 생성물 콤프레서에 필요한 경우 보다 큰 콤프레서를 사용하지 않고서도 달성된다. 그럼에도 불구하고, 스테이지간 콤프레서는 전체 비용 장점을 제공할 수 있다.
도 2를 참조하자면, 본 발명의 공기 분리 시스템(70)의 제 2 구체예는 스테이지간 압축을 사용하는 막 캐스케이드 하위 시스템(80)을 채택하여 실질적으로 고압에서 고순도 생성물 스트림을 제조한다.
공기 분리 시스템(70)은 제 1 구체예에 기술된 발생기와 실질적으로 유사하며, PSA 또는 VPSA 유닛(74) 및 VPSA 생성물 기체 콤프레서(76)를 포함하는 PSA 또는 VPSA 산소 발생기(72)를 포함한다. 방출 다기관(78)은 공급 기체 VPSA 출력을 막 캐스케이드 하위 시스템(80)의 유입구로 유도한다. 제 1 구체예와 같이, PSA/VPSA 생성물 출력 스트림은 생성물 밸브(79)에 의해 조절된 고압의 저순도 생성물 라인(77)을 연결하여 조절될 수 있다.
도 2를 계속해서 참조하자면, 막 하위 시스템(80)은 스테이지간 콤프레서(96)에 의해 접합된 두 개의 막 스테이지(82 및 100)를 포함한다. 제 1 스테이지(82)는 VPSA 출력 공급 기체를 수용하기 위한 유입구(84), 및 분리된 유체 성분을 유도하기 위한 각각의 투과물 및 보유 유출구(88 및 86)를 포함한다. 제 1 스테이지 보유 유출구(86)는 흐름 조절 밸브(92)에 의해 조절된 방출 라인(90)을 통해 고압의 저순도 생성물 다기관(77)에 연결된다. 제 1 스테이지 투과물 유출구(88)는 제 2 스테이지(100)로의 후속 가압 공급을 위한 스테이지간 콤프레서의 유입구(94)로 유입된다.
제 2 스테이지(100)는 가압된 제 1 스테이지 투과 스트림을 수용하기 위한 유입구(102)를 포함하며, 고순도 및 적당하게 가압된 제 2 스테이지 투과 생성물 스트림 유출구(104) 및 저순도 제 2 스테이지 보유 스트림 공급 포트(106)를 포함한다.
본 발명자는 제 2 스테이지 보유 스트림 공급 포트(106)가 공기 분리 시스템(70)의 가요성을 최대화하는 세 형태중의 하나에 용이하게 연결될 수 있다는 것을 발견하였다. 도 2에는 생성물 공급 라인(108)을 통해 고압의 저순도 생성물 다기관(77)에 직접 연결; 제 2 스테이지 압력이 제 1 스테이지 공급물 압력 보다 낮은 경우, 재순환 라인(110)을 경유하여 VPSA 생성물 콤프레서(76)의 유입구(79)에 다시 연결; 또는 재순환 라인(110)을 경유하여 제 1 스테이지 유입구(84)에의 유체 연결장치를 포함하는 제 2 스테이지 보유 스트림의 가능한 형태가 도시되어 있다. 후자의 경우는 제 2 스테이지 보유 압력이 제 1 스테이지 공급 압력 이상인 경우에 가능하다.
이러한 구체예는 스테이지간 압축이 없는 시스템과 스테이지간 압축이 있는 시스템간의 비교를 포함하는 하기 실시예 2에서 기술된다. 스테이지간 압축은 제 2 스테이지로의 공급 압력이 원하는 생성물 압력 및 순도에 의해 결정되는 경우에 사용된다. 스테이지간 압축은 막 영역 및 콤프레서 동력을 감소시키는데 사용된다.
실시예 2
표 2에는 스테이지간 압축이 없는 2-스테이지 시스템에 대한 결과가 기재되어 있다. 2 스테이지 막 유닛으로의 유입물은 150psia에서 92% O2, 5% Ar 및 3% N2를 함유하는 100,000ncfh이 전달된 VPSA 플랜트 생성물이다. 고순도 O2생성물의 요망 순도는 114.7psia 및 5,000ncfh의 유출속도에서 98% O2이다. 동일한 형태의 막이 실시예 1에서와 같이 사용된다. 생성물을 압축시키지 않으면 표 2에 반영된 조작은 요망 압력에서 생성물을 제조하지 않을 것이라는 것은 자명하다. 더욱이, 스테이지간 압축이 없는 막 요건은 스테이지간 압축이 있는 경우에 2345ft2인 바와 비교하여 5690ft2이다.
위치 흐름(ncfh) 압력(psia) 순도(%O2)
VPSA 콤프레서 유출구 111,051 150 92
스테이지 1 유입구 79,269 150 92
스테이지 1 투과물 16,051 60 95.94
재순환 11,051 60 95
저순도 생성물 95,000 150 91.7
스테이지 2 투과물 5,000 15 98.02
스테이지 2 투과 생성물 5,000 114.7 98.02
하기에 기재된 표 3은 작동 파라미터 및 스테이지간 압축을 사용하는 본 발명의 제 2 구체예의 특정예에서 달성된 결과를 기재하고 있다.
위치 흐름(ncfh) 압력(psia) 순도(%O2)
VPSA 콤프레서 유출구 100,000 150 92
스테이지 1 유입구 43,300 150 92
스테이지 1 투과물 10,753 15 96.54
스테이지 2 공급물 10,753 229.4 96.54
스테이지 2 보유 5,753 229.4 95.25
저순도 생성물★ 95,000 150 91.7
스테이지 2 투과 생성물 5,000 114.7 98.02
★ 스테이지 2 보유 플러스 VPSA 콤프레서 출력
스테이지간 압축을 사용하고, 공급 압력을 요망 생성물 압력 및 순도의 함수로서 제 2 스테이지로 유도함으로써 막 영역 및 전체 시스템에 의해 필요로 되어지는 압축 동력이 감소된다. 이러한 전환점에 대한 설명은 제 2 구체예는, 표 3에 기재된 파라미터하에서 조작된 바와 같이, 단지 막 영역의 2345제곱 피트만을 사용하였다는 사실이다. 이것은 표 2의 조건하에서 조작하는 구체예에 필요한 5609 제곱 피트 영역과 비교되어야 한다. 그러나, 전환점은 제 1 구체예에서 사용된 생성물 콤프레서(58)를 조작하는 것과 비교하여 스테이지간 콤프레서로서 보다 큰 콤프레서(96)를 사용하는 비용을 포함한다.
어떠한 추가의 생성물 압축 장치도 필요로 되지 않는 경우에 VPSA 발생기와 막 하위 시스템을 조합시키는 것이 보통은 보다 유리할 것이다. 그러나, 재순환 캐스케이드 시스템과 유사한 장치를 요구하는 경우에, 스테이지간에 상기 장치를 사용함으로써 상당한 경제적 이익이 구현될 수 있다.
당업자는 본 발명의 공기 분리 시스템에 의해 제공된 많은 장점을 평가할 것이다. 맨 첫 번째로, 전방향 시스템 설계는 상대적으로 거의 비용이 들지 않는 막 모듈을 채택하고 있으며, 불필요한 하드웨어 라인 콤프레서를 제거한다. 불필요한 하드웨어를 제거함으로써, 장치 비용 및 조작 비용 둘 모두는 실질적으로 감소된다. 스테이지간 압축의 경우에 있어서, 실질적인 자본 절약이 막 영역에서 구현된다.
더욱이, 본 발명은 특정 압력에서 최고 순도의 산소를 반드시 필요로 하는 것은 아니지만 생성물의 적용 요건을 만족시키는 가변 압력에서 다수의 생성물 스트림을 제공한다. 보다 많은 생성물이 주어진 공급원으로부터 사용될 수 있기 때문에, 플랜트의 전체 효율은 생산성 및 조작 비용의 상응하는 하락에 따라 증가한다.
산소(보다 엄밀하게는, 산소 함량이 높은 기체)에 적용된 본원에서 사용되는 용어 고순도 및 저순도는 공정의 PSA/VPSA 부분으로부터 전형적으로 나타나는 다수의 특별한 산소 스트림의 비교를 의미하는 상대적인 용어라는 사실이 인지되어야 한다. 이와 같이, 본원에서 사용되는 용어 고순도는 95% 이상, 바람직하게는 97% 이상을 의미하며, 저순도는 PSA/VPSA에 의해 달성된 순도 이하임을 의미한다. 그러나, 모든 경우에 있어서, 높은 내지 매우 높은 산소 함량을 지닌 기체가 고려된다.
바람직한 구체예가 설명되었지만, 다양한 대체 및 변화가 본 발명의 정신 및 범주로부터 일탈하지 않으면서 수행될 수 있다. 따라서, 본 발명은 설명에 의해 기술되었지만 제한되지 않음을 이해해야 할 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 공기 분리 시스템을 사용하게 되면, 저렴한 비용으로 고압의 저순도 산소 스트림, 저압의 고순도 산소 스트림 둘 모두가 제조된다.

Claims (10)

  1. 공급물 순도 범위 및 공급물 압력 범위 이내의 공급 기체 혼합물을 수거 및 유도하는 공급 기체 다기관에 연결된 콤프레서(16) 출력을 가지며, 흡착제를 포함하는 형태의 산소 발생기(12); 및
    각각 소정의 압력비 및 각각 소정의 작동 온도 이내에서 작동 가능한 제 1 스테이지 및 제 2 스테이지를 포함하며, 상기 제 1 스테이지는 공급 기체가 유통하도록 배치된 유입구, 상대적으로 고압의 저순도 생성물 라인에 연결된 제 1 스테이지 보유 스트림, 및 제 1 스테이지 투과 스트림을 갖도록 하고, 상기 제 2 스테이지는 상기 제 1 스테이지 투과 스트림이 유통하도록 접합된 유입구, 제 2 스테이지 보유 스트림, 및 소정의 전달 압력 및 전달 순도에서 작동 가능한 상대적으로 저압의 고순도 생성물 라인에 연결된 생성물 스트림을 포함하도록 구성되어 있는 막 캐스케이드 시스템(30)을 포함하는,
    각각의 소정 압력 및 순도로 다수의 산소 스트림을 제조하는 공기 분리 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 산소 발생기가 진공압 순환 흡착 플랜트임을 특징으로 하는 공기 분리 시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 제 2 스테이지 보유 스트림이 진공압 순환 흡착 콤프레서에 연결되어 재순환 루프를 형성함을 특징으로 하는 공기 분리 시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 제 2 스테이지 보유 스트림이 상대적으로 적당한 압력 및 순도 생성물 라인에 연결됨을 특징으로 하는 공기 분리 시스템.
  5. 제 1항에 있어서, 제 2 스테이지 저압의 고순도 생성물 라인이 유통하도록 배치된 유입구를 갖는 콤프레서를 추가로 포함함을 특징으로 하는 공기 분리 시스템.
  6. 제 1항에 있어서, 공급 기체 다기관이 유통하도록 배치된 상대적으로 고압의 저순도 생성물 라인을 추가로 포함함을 특징으로 하는 공기 분리 시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    공급물 순도 범위가 약 88% 내지 95%이고;
    공급물 압력 범위가 약 100 내지 500PSIG이고;
    각각의 소정의 압력비가 1.5를 초과하고;
    각각의 작동 온도 범위가 -1℃ 내지 66℃(30 내지 150℉)이고;
    생성물 전달 압력의 범위가 1 내지 300PSIG이며;
    생성물 전달 순도의 범위가 97% 내지 99.5% 산소임을 특징으로 하는 공기 분리 시스템.
  8. 공급물 순도 범위 및 공급물 압력 범위 이내의 공급 기체 혼합물을 수거 및 유도하는 공급 기체 다기관에 연결된 콤프레서(16) 출력을 가지며, 흡착제를 포함하는 형태의 산소 발생기(12); 및
    각각 소정의 압력비 및 각각 소정의 작동 온도 이내에서 작동 가능한 제 1 스테이지 및 제 2 스테이지를 포함하며, 상기 제 1 스테이지는 공급 기체가 유통하도록 배치된 유입구, 상대적으로 고압의 중간 정도의 순도 생성물 라인에 연결된 제 1 스테이지 보유 스트림, 및 스테이지간 콤프레서로 유입되는 제 1 스테이지 투과 스트림을 갖도록 하고, 제 2 스테이지는 상기 스테이지간 콤프레서 출력이 유통하도록 접합된 유입구, 제 2 스테이지 보유 스트림, 상대적으로 고압의 고순도 생성물 라인에 연결된 제 2 스테이지 생성물 스트림을 포함하도록 구성되어 있는 막 캐스케이드 시스템(30)을 포함하는,
    각각의 소정 압력 및 순도로 다수의 산소 스트림을 제조하는 공기 분리 시스템.
  9. 제 8항에 있어서, 산소 발생기가 VPSA 플랜트임을 특징으로 하는 공기 분리 시스템.
  10. 제 1 공급 기체로서 VPSA 출력을 제 1 스테이지 유입구로 공급하는 단계;
    제 1 스테이지 보유 스트림을 고압의 저순도 산소 생성물 스트림으로 이용하는 단계;
    제 2 공급 기체로서 제 1 스테이지 투과물을 제 2 스테이지로 유도하는 단계;
    제 2 스테이지 투과 스트림을 고순도의 저압 산소 생성물 스트림으로 이용하는 단계를 포함하여,
    압축된 출력을 갖는 PSA 또는 VPSA 산소 발생기, 및 각각 유입구를 가지며, 각각 보유 및 투과물 유체 스트림을 포함하는 제 1 및 제 2 스테이지를 갖는 캐스케이드 막 유닛을 포함하는 공기 분리 플랜트로부터 각각의 압력 및 순도로 다수의 산소 스트림을 제조하는 방법.
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